¿Cómo extraer la energía del agua residual en la geotermia?

¿Cuál es la eficiencia de una planta geotérmica?

La primera vez que calculé la eficiencia del aprovechamiento de la geotermia me sorprendí… ¿Me habré equivocado? ¿8.5%? ¿No será muy poco? ¿Sumé en lugar de multiplicar? 😂

Pues no… no era un error…

Si tenemos un reservorio de líquido dominante con una calidad del 20%, y el vapor lo expandimos en una turbina desde 9 bar(a) hasta 0.1 bar(a) y asumiendo eficiencia típicas para la turbina y el generador, el resultado nos dirá que de todo el fluido que extraemos del reservorio (agua y vapor), solo estamos aprovechando cerca del 8.5% de la energía disponible… Muy bajo, ¿no?

Esto se debe a que en este ejemplo de todo el fluído extraído solo se aprovecha el vapor. El agua se reinyecta sin ningún proceso para aprovechar su energía.

Pero ¿qué se puede hacer?… De eso vamos a hablar hoy… Una de las formas que se pueden usar para aprovechar el agua residual de la geotermia mediante un Doble Flasheo… O una segunda vaporización…

¿Qué es el doble flasheo o vaporización?

El doble flasheo o doble vaporización consiste en “despresurizar abruptamente“ el agua geotérmica después que fue separada en una estación.

Cuando el agua geotérmica se despresuriza, normalmente usando una válvula, y se lleva, por ejemplo de 9 bar absolutos hasta 2 bar, por ejemplo, una parte se convierte en vapor, esto por el exceso de energía que el agua contiene y que se equilibra al bajar la presión vaporizándose…

En palabras sencillas, si al agua a alta presión y temperatura se le quita la presión una parte se convierte en vapor…

Esto es exactamente lo que sucede cuando destapamos el radiador de carro cuando está muy caliente… Dicho sea de paso, no lo intenten en casa…

Volviendo al tema…

El proceso de vaporización por estrangulamiento, como dije se hace usando una válvula que está colocada a la entrada de un recipiente a presión que es el que maneja el vapor y el agua, además el recipiente conocido como vaporizador o flasher permite hacer la separación de vapor y agua.

El agua y el vapor, el en proceso ha perdido temperatura y presión. El agua se dirige a un sistema de reinyección y el vapor a la turbina…

En el diagrama vemos la línea 8-9 que representa el proceso de estrangulamiento del agua en la válvula y pasamos de tener una calidad del 0% a una de 8.5%, si expandimos de 9 bar(a) a 3 bar(a). Hasta qué presión vamos a expandir, pues depende de algunos criterios de diseño y optimizaciones.

Por otro lado, este vapor por estar a menos temperatura y presión, también tiene menos energía en comparación con el vapor de la separación inicial, a 9 bara, si expandimos hasta 2 bara, tendríamos una vaporización del 11%…

¿Cuanto se puede mejorar?

¿Qué significa todo esto? Que hemos aprovechado el agua separada para generar más vapor y más electricidad… Es decir, hemos mejorado la eficiencia del ciclo completo…

Si estimamos los nuevos flujos, la eficiencia global subió de 8.5% a 11.25%… Suena poco todavía, ¿verdad?

Hagamos otros números, quizás así te convenza…

Comparado con lo que teníamos antes, la mejora fue al rededor del 26%

Si asumimos, que tenemos un flujo extraído total de 100 kg/s y solo 20Kg/s de vapor, tendríamos una generación eléctrica de 13.5MW con las condiciones de presión que mencionamos… Pero si ponemos un segundo flasheo (si se permite… Ya veremos esto…) lograríamos extraer en total 🥁🥁...: 17 MW

Son 3.5MW adicionales… Y ya viste cuanto ingreso puede representar eso? Bueno, en el post de antes hicimos algunas estimaciones (aquí) Para el caso, asumiendo 85% de disponibilidad y $100/MWh, sería un poco más de $3 millones anuales adicionales…

Ahora sí, ¿más convencido?

En el siguiente párrafo quizás logre lo contrario…

¿Hay limitaciones técnicas?

Sí… definitivamente hay limitaciones técnicas que no permiten hacer el mejor aprovechamiento… La principal en la geotérmia: la química del agua…

No soy químico, así que no puedo profundizar.

Pero resulta que el agua geotérmica, por su naturaleza contiene concentraciones altas de minerales.

En el reservorio están en equilibrio, pero cuando se extrae el fluído se provocan cambios de presión y temperatura, y los minerales pudieran depositarse en dentro del pozo o las tuberías… Incluso se pueden observar ciertas depositaciones en los álabes de las turbinas.

El agua geotérmica, después de pasar por el primer separador en la plataforma del pozo tiene una mayor concentración de minerales que cuando estaba en el reservorio.

Imagina un volumen de agua geotérmica. En el reservorio había un 100% de minerales en un 100% de agua…

Pero cuando el agua subió por el pozo se tranformó una parte en vapor (este es el primer flasheo) 20% asumimos (aunque cada pozo tiene una calidad distinta más alta o más baja). Así que ahora tenemos un 100% de minerales en un 80% de agua puesto que el vapor no arrastra los minerales… Así que el agua tiene una mayor concentración de minerales…

Y qué pasa ahora si además de ese primer flasheo hacemos un segundo? el proceso se repite, y tenemos 100% de minerales en 70% del agua… El agua está más saturada y en este punto es probable que se precipite.

Esa es la mayor limitante con un doble flasheo. Esto puede verificarse con un equipo de laboratorio que mediante pruebas y experimentación determine si es posible hacer un segundo flasheo y hasta qué punto…

Y si no se puede hacer un segundo flasheo, qué opciones hay?… Ahí es donde caben los ciclos binarios… Pero esa será otra historia…

¿Qué equipos adicionales se requieren?

Para un segundo flasheo se requieren algunos equipos y accesorios importantes adicionales como:

Sistema de acarreo

Quizás este y el siguiente sean los más obivios puesto que se requiere un sistema de tuberías que transporten el agua hasta la central eléctrica y dependiendo de las distancias pueden llegar a representar un costo importante…

Flasher o vaporizador

Para un segundo flasheo necesitamos… un flahser, claramente… El flasher tiene varios accesorios relacionados, como las válvulas de entrada, discos de ruptura por seguridad, válvulas de control de nivel y toda la instrumentación relacionada, y por supuesto, una salida del agua residual y una salida de temperatura.

Silenciador de rocas

También se requiere un silenciador de rocas u otro mecanismo de atenuación de ruido para las descargas que pudieran darse de vapor.

Tanque de agua

Para el caso de las descargas de agua suele utilizarse un equipo intermedio que redirige el flujo a un tanque de almacenamiento temporal, y de ahí a un sistema de reinyección.

Colector de vapor de baja presión

El colector de vapor de baja presión reune el vapor en caso que se tengan varios vaporizadores y su salida es una sola línea de vapor que se dirige al separador de humedad de baja presión…

Separador de humedad

Como su nombre lo indica, el separador se encarga de eliminar el agua de condensado que sigue suspendida en el vapor, este tiene láminas paralelas con patrones acanalados y cuando las gotas suspendidas en el vapor chocan, estas quedan en las láminas para ser desechadas. Dependiendo del diseño, es posible que el colector de vapor y el separador de humedad sean un solo equipo…

Turbina de vapor

No es que se necesite otra turbina, más bien se requiere una turbina especial que tenga dos entradas de presión de vapor… Una de alta o media presión y otra de baja presión…

En la imagen anterio vemos una entrada en el centro, la de alta presión (HP steam), y en los laterales una de baja presión (LP steam). Las entrada de baja presión las tienen en una zona intermedia, en la que el vapor de alta ha perdido presión y no abatirá el flujo de baja presión.

Algunas Referencias.

Te dejo algunas referencias por si quieres profundizar un poco más

• Este paper compara energéticamente los ciclos sencillos y con doble flasheo, además de analizar las eficiencias de segunda ley…

• Este otro artículo compara las tecnologías de generación binaria y doble flash

• Este otro hace un análisis técnico económico de la tecnología de doble flasheo

• Y si quieres información más completa acerca de la geotermia, este libro es de los mejores para empezar: Geothermal Power Plants: Principles, Applications, Case Studies and Environmental Impact

Como ves, el doble flasheo es una forma de aprovechar el recurso geotérmico, de generar un poco más con lo mismo.

¿Conocías el segundo flasheo? ¿has visto una planta de este tipo funcionar? Te leo…

Esto es todo por hoy, espero haber aportado un poco a tu conocimiento.

Como siempre, si tiene alguna pregunta no dudes en responder este correo.

Que tengas una excelente semana!

Ricardo.